科學(xué)家開(kāi)發(fā)仿真軟件模擬激光與物質(zhì)的相互作用

　　圖 4. L-CVD 的速度和溫度場(chǎng)仿真。上：從直徑 3 mm 的噴嘴中流出的 L-CVD 前體流動(dòng)速度等值線(xiàn)，以及由于空氣玻璃界面處激光加熱誘發(fā)的溫度場(chǎng)。下：汽化石英的速度流線(xiàn)，在左下角可以看到以擴(kuò)散為主的玻璃傳遞(深藍(lán)色)。

　　研究小組發(fā)現(xiàn)，如要避免一些較常見(jiàn)于 L-CVD 沉積剖面的多余特征，比如著名的“火山”特征，激光功率是一個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)。

　　“就我們所知，迄今為止，還沒(méi)有任何其他方法可以通過(guò)將缺損材料替換為高等級(jí)基底材料來(lái)增材修復(fù)損傷。” Matthews 說(shuō)道：“這一方法的成功應(yīng)用可以降低加工成本、延長(zhǎng)光學(xué)元件的使用壽命，并為一般的高功率激光應(yīng)用帶來(lái)抗刮傷能力更強(qiáng)的光學(xué)元件。此外，相對(duì)常規(guī)方法，L-CVD 對(duì)除石英玻璃之外的其他材料系統(tǒng)也頗具優(yōu)勢(shì)。能夠模擬瞬態(tài)流動(dòng)、反應(yīng)和傳熱，對(duì)探索新應(yīng)用有很大的幫助。”

　　五 從玻璃修復(fù)到制造

　　雖然使用 L-CVD 工藝翻新光學(xué)元件這一技術(shù)仍處于探索階段，但作為 NIF 的光學(xué)修復(fù)項(xiàng)目之一，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于 CO2 激光器的表面微成形，并通過(guò)多物理場(chǎng)仿真進(jìn)行了優(yōu)化。2014 年，NIF 已經(jīng)使用紅外微成形和其他技術(shù)修復(fù)了 13,000 個(gè)以上的受損點(diǎn)，他們正不斷循環(huán)利用光學(xué)元件，保證了日常使用。

　　不過(guò)，他們對(duì)激光與物質(zhì)之間相互作用的研究并沒(méi)有止步于光學(xué)元件的修復(fù)。Mathews 和他的團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出了一項(xiàng)稱(chēng)作選擇性激光燒結(jié) (SLM)的 3D 打印增材工藝，以支持一個(gè)實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的增材制造計(jì)劃。“這項(xiàng)研究讓我感覺(jué)非常興奮。” Matthews 說(shuō)道：“找出如何優(yōu)化 3D 打印系統(tǒng)會(huì)給這一正在快速發(fā)展的行業(yè)帶來(lái)重大的影響，在過(guò)去，我們很大程度上只能依賴(lài)試錯(cuò)法，現(xiàn)在則將能從這一基于模型的方法中受益。”

　　LLNL 光學(xué)元件損傷緩解和激光材料加工研究小組(從左到右)：Gabe Guss、Nan Shen、Norman Nielsen、Manyalibo Matthews、Rajesh Raman 和 Selim Elhadj。他們背后的設(shè)備用于研究高功率激光輻射下的金屬粉末熔融動(dòng)力學(xué)，這是金屬基增材制造(3D 打印)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。